擴散張量成像對放射性腰腿痛定量分析的價值

錢海峰　吳　曉　徐萬里　劉　東　姚麗娣　宣浩波

論著

擴散張量成像對放射性腰腿痛定量分析的價值

錢海峰吳曉徐萬里劉東姚麗娣宣浩波

目的探討3.0 T MR擴張張量成像（DTI）及纖維束示蹤成像（DTT）的部分各向異性（FA）值對放射性腰腿痛定量分析的價值。方法將40例無癥狀志愿者（A組）與48例放射性腰腿痛病人（B組）的MRI和臨床資料分成4組，分別為無癥狀有椎間盤突出組（A1組，6例）、無癥狀無椎間盤突出組（A2組，34例）、有癥狀有椎間盤突出組（B1組，36例）和有癥狀無椎間盤突出組（B2組，12例），定量分析L4至S1神經根的平均FA值，采用t檢驗比較組間神經根的平均FA值的差異；采用ROC曲線分析神經根的FA值診斷椎間盤突出的閾值、敏感度、特異度和曲線下面積（AUC）；相關性分析采用Pearson相關。結果A1組的FA值為0.213±0.003，略低于A2組的0.215±0.009，但組間FA值差異無統計學意義（t=0.628，P＞0.05）；而B1組的FA值為0.190±0.010，明顯低于B2組的0.207±0.009（t=5.044，P＜0.01）。ROC曲線分析顯示FA值≤0.197時，診斷椎間盤突出的AUC、敏感度和特異度分別為0.886、70.7%和91.5%。相關分析結果顯示神經根FA值與椎間盤突出呈中等負相關（r=-0.652，P＜0.000 1）。結論MR DTI及DTT技術的FA值有助于臨床對放射性腰腿痛的定量評估。

磁共振成像；擴散張量成像；腰骶叢；椎間盤突出

Int J Med Radiol，2016，39（4）：349-353

椎間盤突出是臨床常見疾病，可出現神經根受壓癥狀，引起放射性腰腿痛［1］，但相同部位、大小的椎間盤突出在有的病人卻無明顯臨床癥狀，另外，臨床上其他原因（如椎間孔的狹窄、腰椎骨質增生等）也可引起病人腰腿痛［2］。由于在常規MRI上椎間盤突出的形態、大小、部位等表現與臨床神經根受壓癥狀有時不一致，使臨床診斷和治療缺乏客觀依據［2］。目前，一些研究通過MR擴散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）及纖維束示蹤成像（diffusion tensor tractography，DTT）技術在健康志愿者的正常腰骶叢神經根和腰椎間盤突出病人受壓神經根上觀察神經根纖維束的形態學改變和部分各向異性（fraction anisotropy，FA）值的變化［3-7］。本文旨在探討DTI技術對放射性腰腿痛的神經根FA值與腰椎間盤突出的定量研究。

1　資料與方法

1.1研究對象收集2014年1月—2015年6月在浙江大學湖州醫院行MR平掃及DTI檢查無腰腿痛癥狀志愿者40例（A組），要求無放射性腰腿痛及其他臨床癥狀，無腰部手術史；其中男22例，女18例；年齡36～55歲，平均年齡（46.1±6.1）歲。有腰腿痛癥狀病人48例（B組），包括除放射性腰腿痛以外無其他腰部不適、無腰部手術史、無MR檢查禁忌證的病人；男27例，女21例；年齡34～57歲，平均（44.3±5.7）歲。A、B兩組病例在年齡、性別方面差異無統計學意義（P＞0.05）。分組標準［8］：A組為無明顯臨床癥狀或神經病理性疼痛量表 （douleur neuropathique 4 questions，DN4）評分＜4，按照MR平掃（T1WI/T2WI）表現，分成無癥狀有椎間盤突出組（A1組，6例）和無癥狀無椎間盤突出組（A2組，34例）；B組為有明顯臨床癥狀或DN4評分≥4，按照MR平掃（T1WI/T2WI）表現，分成有癥狀有椎間盤突出組（B1組，36例）和有癥狀無椎間盤突出組（B2組，12例）；其中椎間盤突出診斷分型參考Pfirrmann等［9］常規MR平掃的椎間盤突出分型。0級（正常）：椎間盤與神經根之間無明顯接觸，脂肪間隙存在；1級（接觸）：椎間盤與神經根之間能夠看到接觸，脂肪間隙消失，但神經根形態正常，無移位；2級（移位）：椎間盤與神經根之間明顯接觸，且神經根有受壓移位；3級（壓迫）：突出椎間盤壓迫神經根，使其受壓變形。本研究獲得本院倫理委員會批準，所有病人及志愿者檢查前均簽署知情同意書。

1.2檢查方法采用美國GE公司Discovery MR 750 3.0 T超導型MR設備，以體部32通道線圈為表面接收線圈。掃描序列及參數為：①矢狀面SE T1WI：TR 500 ms、TE 6.3 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩陣320× 256，激勵次數（NEX）=2，層厚4 mm，層間距1 mm，回波鏈長度為6。②矢狀面FSE T2WI：TR 3 000 ms、TE 90 ms，FOV 32 cm×32 cm，矩陣256×256，NEX= 2，層厚4 mm，層間距1 mm，回波鏈長度為12。③橫斷面FSE T2WI：TR 3 200 ms、TE 109 ms，FOV 20 cm× 20 cm，矩陣320×224，NEX=2，層厚4 mm，層間距1 mm，回波鏈長度為12。④橫斷面DTI掃描：采用單次激發自旋回波-回波平面序列 （single-shot spin echo-echo plain imagine，SS-SE-EPI），擴散敏感梯度取25個方向，b值=0、600 s/mm2，TR 8 000 ms、TE 85 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩陣96×192，層厚4 mm，層間距0 mm，短T1反轉恢復（STIR）抑脂，掃描時間約4 min 48 s。掃描范圍自L4神經根起始至S1神經根。

1.3影像分析DTI數據存儲在GE AW4.6圖像后處理工作站，利用Functool（GE Healthcare）軟件中DTI數據處理軟件包定量分析腰骶叢神經根的FA值，并以DTT技術顯示L4至S1神經根，共3個節段6個神經根。測量神經根FA值時，興趣區（region of interest，ROI）選擇在每根神經根相應椎間孔上端層面 （即椎間孔內開口處），手動勾畫的ROI面積為20～50 mm2，以盡量避免部分容積效應對數據結果的影響；同時FA值閾值設為下限0.1，上限0.4，以避免腦脊液、周圍肌肉組織肌纖維束、空腔臟器內水分及其他信號干擾。由經過培訓的放射科高年資醫師在同一節段神經根內重復手動勾畫ROI 3次，取3次測量結果的平均值，記錄為該節段平均FA值，以降低因手動勾畫ROI造成的遺漏和噪聲誤差。

1.4統計學處理所有數據采用MedCalc v 12.7.0醫學統計軟件處理，符合正態分布的計量資料以均數±標準差表示，2組間比較采用t檢驗；采用ROC曲線評價神經根FA值對椎間盤突出的診斷價值；相關性分析采用Pearson相關。P＜0.05為差異有統計學意義。

2　結果

2.1MR平掃及DTI檢查結果A組中，A1組6例（包括L4椎間盤左后型突出1例，L5椎間盤右后型突出1例，L5、S1椎間盤正中型突出各2例），測得平均FA值為0.213±0.003；A2組34例椎間盤正常，測得平均FA值為0.215±0.009，A1和A2兩組間平均FA值差異無統計學意義 （t=0.628，P=0.534）。B組中，B1組36例包括L4、L5椎間盤左后型突出各6例，S1椎間盤左后型突出4例，L4椎間盤右后型突出3例，L5椎間盤右后型突出6例，S1椎間盤右后型突出2例，L4椎間盤正中型突出2例，L5椎間盤正中型突出4例，S1椎間盤正中型突出3例，測得平均FA值為0.190±0.010（圖1、2）；B2組12例包括側隱窩骨性狹窄2例，椎間孔狹窄4例，腰椎骨質增生6例，測得平均FA值為0.207±0.009，B1組的平均FA值明顯低于B2組，兩組間平均FA值差異有統計學意義（t=5.044，P＜0.000 1）。

圖1　病人男，48歲。L4/5椎間盤突出。DTI及DTT圖顯示L5神經根未見明顯受壓，FA值下降不明顯。A橫斷面T2WI，顯示L4/5椎間盤正中型突出；B DTI灰階圖，顯示ROI法測量位置；C DTI的FA彩圖，顯示右側L5神經根較左側略增高，呈黃綠色；D DTT重建，顯示L4-S1雙側神經根連續性完整；E DTT重組影像融合三維容積內加速采集（3D-LAVA）影像，更加清晰顯示神經根走行。

圖2　病人男，39歲。L5/S1椎間盤突出。DTI及DTT圖顯示S1右側神經根受壓，FA值下降。A橫斷面T2WI，顯示L5/S1椎間盤右后型突出；B DTI灰階圖，顯示ROI法測量位置；C DTI的FA彩圖，顯示右側S1神經根呈黃綠色，較左側神經根信號減低。D DTT重建，顯示S1右側神經根受壓，連續性中斷。

A組的平均 FA值為 0.215±0.008，B組為0.194±0.012，B組低于A組（t=9.022，P＜0.000 1）。全部88例中，椎間盤突出者共42例（A1+B1），平均FA值為0.193±0.012，非椎間盤突出者共46例（A2+B2），平均FA值為0.212±0.010，椎間盤突出組的平均FA值明顯低于非椎間盤突出組（t=7.934，P＜0.000 1）（圖3）。

2.2ROC曲線及相關性分析結果神經根FA值的ROC曲線下面積為0.886（圖4），FA閾值為0.197時，診斷椎間盤突出的敏感度和特異度分別為70.7%和91.5%；FA值≤0.188時，診斷椎間盤突出的特異度達到100%。Pearson相關分析結果顯示神經根FA值與椎間盤突出呈中等負相關（r=-0.652，P＜0.000 1）。

圖3　椎間盤突出與非椎間盤突出FA值箱式圖

圖4　神經根FA值的ROC曲線

3　討論

DTI及DTT技術主要通過抑制血管信號來提高周圍神經的顯示效果，更加清晰顯示神經纖維的走行信息，并通過FA值量化分析神經內水質子的擴散情況，定量評估周圍神經微觀結構和功能。正常情況下，由于髓鞘的限制，沿著神經長軸方向的質子擴散速度是垂直于神經方向質子擴散速度的3倍，稱為各向異性。時等［4］以1.5 T MRI對健康青年志愿者在椎間孔內側測得L3至S1神經根的平均FA值為0.191～0.205，與之相比，本研究采用3.0 T MRI測得34例無癥狀志愿者且MRI平掃提示椎間盤正常者（A2組）的平均FA值略高（0.215），這與MRI場強、梯度場方向數目、像素大小、b值大小、年齡因素等有關［10-11］。另外6例無癥狀志愿者且MRI平掃提示椎間盤突出者 （A1組）的平均FA值（0.213）略下降，但兩者差異無統計學意義（t=0.628，P＞0.05），說明FA值的改變與臨床表現相一致，即突出的椎間盤并未明顯壓迫神經根，這與Pfirrmann等［9］報道常規MRI平掃的椎間盤突出分級一致。

腰椎間盤突出壓迫神經根導致放射性腰腿痛的機制尚不明確，一般認為與椎間盤的機械壓迫和微血管病變有關。腰骶叢神經的急性、慢性損傷和/或反復性創傷，可導致近端軸漿流動受阻、微血管缺血性改變、靜脈回流受阻淤血和神經內部及周圍組織水腫、神經受壓部位髓鞘脫失，隨后發生軸漿流失、遠端神經華勒變性，造成軸突與鞘膜之間的間隙增寬，擴散向量增加，引起FA值下降［9-10］。本研究中48例有癥狀病人中，MRI平掃提示36例椎間盤突出（B1組），平均FA值明顯低于12例其他原因引起腰腿痛病人（B2組）的FA值，且兩組間的平均FA值具有顯著差異（t=5.044，P＜0.01），結合腰椎X線平片、CT等檢查，臨床證實為側隱窩骨性狹窄（2例）、椎間孔狹窄（4例）和腰椎骨質增生（6例）引起腰腿痛。有癥狀病人（B組）的FA值也明顯低于無癥狀志愿者（A組），且兩組間差異有統計學意義（t=9.022，P＜0.01）。以Pearson相關分析統計結果顯示FA值與鑒別診斷椎間盤突出具有負相關性，提示神經根FA值越小，椎間盤突出的可能性越大。表明腰腿痛病人如果腰骶叢神經根的FA值明顯降低，高度提示病人有明顯神經根受壓引起腰骶叢神經的慢性損傷，臨床醫生結合MRI平掃可采取手術或微創介入治療椎間盤突出；如果病人腰骶叢神經根的FA值下降不明顯，提示病人還沒有明顯神經根受壓，即使MRI平掃有腰椎間盤突出存在，臨床醫生也可采取保守治療，避免不必要手術。

本研究中，MRI平掃提示共42例病人或志愿者存在椎間盤突出，46例無椎間盤突出，椎間盤突出者的平均FA值低于非椎間盤突出者 （P＜0.01），這與Dallaudiere等［12］報道一致，但通過箱式圖可以直觀看到，兩者的FA值有部分交叉重疊。分析其原因包括：①6例無癥狀志愿者有椎間盤突出時，未壓迫神經根時FA值并未減低；②側隱窩骨性狹窄、腰椎骨質增生時骨質產生的磁敏感偽影，在測量時不可避免地影響FA值，同時增生的骨質對神經根慢性炎性刺激，在急性水腫期時，FA值也會減低［13］。本研究中有1例病人由于腰椎骨質增生造成神經根壓迫，FA值明顯下降（0.189），有2例無癥狀且椎間盤正常志愿者由于腰椎退行性變造成增生的骨質產生磁敏感，引起FA值下降。盡管椎間盤突出與非椎間盤突出的FA值有交叉重疊，但通過ROC曲線分析可以得出FA值≤0.197時，診斷椎間盤突出引起腰腿痛的敏感度、特異度和曲線下面積分別為70.7%、91.5%和0.886，說明具有較高診斷價值，且FA值≤0.188時，特異度達到100%，高度提示臨床應及時采取手術或微創介入治療。

本研究也存在一些局限性：①研究的樣本量不夠大，對統計結果可能存在偏倚，需進一步收集病例分析L4至S1不同節段不同受壓程度的神經根FA值的改變。②在勾畫ROI時，不可避免地存在偏差，尤其是不同部位的ROI測量值可能有區別，在隨訪評估時盡量選用相同機型、采用相同方法掃描、固定相同部位ROI，有助于降低FA值的誤差。③較低b值不能產生足夠的影像對比度，不利于神經纖維的辨別，而較高的b值會造成影像信噪比降低，不利于纖維束示蹤［13-14］。本研究中，采用Chhabra等［10］建議的b值=600 s/mm2，而未能與Li［5］采用b 值=1 000 s/mm2進行參數優化比較，有待今后進一步比較研究。已有動物模型實驗研究［15］顯示，周圍神經FA值增加與運動、感覺功能的恢復相關，而且能夠顯示近端神經再生的早期征象。本研究未涉及椎間盤突出手術后，神經根術前、術后FA值的改變，以及縱向隨訪評價神經根的退變和再生情況。

綜上所述，對于放射性腰腿痛病人應用MR DTI可以顯示腰骶叢神經的慢性損傷，以及所引起的神經根髓鞘脫失和沃勒變性，并通過定量分析顯示受壓神經根的FA值下降。DTT技術可以多角度、直觀顯示腰骶叢神經纖維束走行及受壓情況，有助于臨床制定合理治療方案。

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（收稿2015-09-21）

Value of quantitative analysis diffusion tensor imaging in radiating leg pain

QIAN Haifeng，WU Xiao，XU Wanli，LIU Dong，YAO Lidi，XUAN Haobo.Department of Radiology，Zhejiang University Huzhou Hospital（Huzhou Central Hospital），Huzhou 313000，China

ObjectiveUsing quantitative analysis diffusion tensor imaging（DTI）and diffusion tensor tractography （DTT）to assess the clinical value of fractional anisotropy（FA）in radiating leg pain.MethodsThe clinical and MR examination data of 40 volunteers and 48 patients with radiating leg pain were divided into four groups：volunteers without clinical symptomatic but with disc hertiation（A1 group，n=6），volunteers without clinical symptomatic and without disc hertiation（A2 group，n=34），patients with clinical symptomatic and with disc hertiation（B1 group，n=36），patients with clinical symptomatic and without disc hertiation（B2 group，n=12）.The mean FA values of L4，L5and S1nerve roots were calculated from DTI and DTT.The t test was used to evaluate the statistical significance.Receiver operating characteristic （ROC）curve analysis was performed for the evaluation of the sensitivity，specificity，and area under ROC curve（AUC）.Pearson correlation analysis test was used to analyze correlation between the FA values of the nerve root and the intervertebral disc herniation.ResultsThe mean FA value of the A1 group was lower than the A2 group（0.213±0.003 vs.0.215±0.009），but did not reach the significant level（t=0.628，P＞0.05）.The mean FA value of the B1 group was significantly lower than the B2 group（0.190±0.010 vs.0.207±0.009，t=5.044，P＜0.01）.ROC curve analysis showed the AUC value，sensitivity，and specificity in diagnosing disc herniation were 0.886，70.7%，and 91.5%，respectively when the FA value was less than 0.197. The results of correlation analysis showed that there was a medium negative correlation between the FA values of the nerve root and the intervertebral disc herniation（r=-0.652，P＜0.000 1）.ConclusionThe FA value calculated from DTI and DTT at 3.0 T MRI could help clinical quantitative assessment in patients of radiating leg pain.

Magnetic resonance imaging；Diffusion tensor imaging；Lumbar plexus；Disc herniation

湖州市科技局項目（2014GY20）

10.19300/j.2016.L3723

R681.5+3；R445.2

A

浙江大學湖州醫院（湖州市中心醫院）放射科，湖州 313000

錢海峰，E-mail：qhf0572@163.com